I strängteori ersätter små bitar av sträng traditionella subatomära partiklar.
Paul M. Sutter är en astrofysiker vid SUNY Stony Brook och Flatiron Institute, värd för Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till "Din plats i universum."Sutter bidrog med den här artikeln till Space.coms expertröster: Op-Ed & Insights.
Stringteorin hoppas kunna vara en bokstavlig teori om allt, en enda enhetlig ram som förklarar all variation och rikedom som vi ser i kosmos och i våra partikelkolliderare, från hur tyngdkraften uppför sig till oavsett heck mörk energi är till varför elektroner har den massa som de gör. Och även om det är en potentiellt kraftfull idé, som om den låstes helt skulle revolutionera vår förståelse av den fysiska världen, har den aldrig någonsin testats direkt.
Det har emellertid funnits sätt att utforska några av de underliggande och potentiella konsekvenserna av strängteorin. Och även om dessa tester inte skulle bevisa strängteori direkt på ett eller annat sätt, skulle de hjälpa till att stärka dess fall. Låt oss utforska.
Ett störande problem
Först måste vi dock undersöka varför strängteori är så svårt att testa. Det finns två skäl.
Strängarna i strängteorin är häpnadsväckande små, tros vara någonstans runt Planck-skalan, bara 10-34 meter tvärs över. Det är långt, mycket mindre än allt vi kan hoppas att undersöka även med våra mest exakta instrument. Strängarna är faktiskt så små att de verkar för oss vara punktliknande partiklar, till exempel elektroner och fotoner och neutroner. Vi kan helt enkelt aldrig stirra direkt på en sträng.
Relaterat till den småheten är energiskalan som krävs för att undersöka de regimer där strängteori faktiskt är viktigt. Från och med idag har vi två olika sätt att förklara fyra naturkrafter. Å ena sidan har vi teknikerna för kvantfältteorin, som ger en mikroskopisk beskrivning av elektromagnetism och de två kärnkrafterna. Och å andra sidan har vi allmän relativitet, vilket gör att vi kan förstå tyngdkraften som böjning och vridning av rymdtiden.
För alla fall som vi direkt kan undersöka är det bara bra att använda det ena eller det andra. Stringteori kommer bara in i spelet när vi försöker kombinera alla fyra krafter med en enda beskrivning, som bara verkligen betyder betydelse på de allra högsta energivågen - så höga att vi aldrig någonsin skulle kunna bygga en maskin för att nå sådana höjder.
Men även om vi kunde utforma en partikelkolliderare för att direkt undersöka kvanttyngdkraften, kunde vi inte testa strängteori, eftersom strängteorin ännu inte är fullständig. Det finns inte. Vi har bara approximationer som vi hoppas kommer nära den faktiska teorin, men vi har ingen aning om hur rätt (eller fel) vi är. Så strängteori är inte ens uppgiften att göra förutsägelser som vi kan jämföra med hypotetiska experiment.
Kosmisk blues
Även om vi inte kan nå de energier som behövs i våra partikelkolliderare för att verkligen ta en djup titt på strängens potentiella värld, för 13,8 miljarder år sedan var hela vårt universum en kittel av grundläggande krafter. Kanske kan vi få några stränga insikter genom att undersöka historien om Big Bang.
Ett förslag från strängteoretikerna är en annan typ av teoretisk sträng: den kosmiska strängen. Kosmiska strängar är universums spännande defekter i rymden, kvar från de tidigaste ögonblicken av Big Bang, och de är en ganska generisk förutsägelse av fysiken i dessa epoker från universum.
Men kosmiska strängar kan också vara super-duper-utsträckta strängar från strängteorin, som vanligtvis är så små att "mikroskopiska" är för stort av ett ord, men har sträckts och dragits av universumets oavbrutna expansion. Så om vi hittade en kosmisk sträng som flyter runt där ute i kosmos, kunde vi studera den noggrant och kontrollera om det verkligen är något som förutses av strängteori.
Hittills har inga kosmiska strängar hittats i vårt universum.
Ändå är sökningen på. Om vi hittade en kosmisk sträng, skulle den inte nödvändigtvis validera strängteorin - det behövs mycket mer arbete som måste göras, både teoretiskt och observationsmässigt, för att separera strängteoriens förutsägelse från versionen crack-in-space-tid.
Inte så supersymmetri
Fortfarande kanske vi kan ta upp några intressanta ledtrådar, och en av dessa ledtrådar är supersymmetri. Supersymmetry är en hypotesiserad symmetri av naturen som förbinder alla fermioner (verklighetens byggstenar som elektroner och kvarkar) med bosonerna (bärarna av krafterna som gluoner och fotoner) under en enda ram.
Maskinerna för supersymmetri utarbetades först av strängteoretiker, men tog eld som en intressant väg för alla högenergifysiker för att potentiellt lösa vissa problem med Standardmodell och göra förutsägelser för ny fysik. Inom strängteori tillåter supersymmetri strängarna att inte bara beskriva naturens krafter utan också byggstenarna, vilket ger den teorin kraften att verkligen vara en teori för allt.
Så om vi hittade bevis för supersymmetri skulle det inte bevisa strängteori, men det skulle vara en viktig springbricka.
Vi har inte hittat några bevis för supersymmetri.
De Stor Hadron Collider (LHC) var uttryckligen utformad för att utforska supersymmetri, eller åtminstone några av de enklaste och lättast tillgängliga versionerna av supersymmetri, genom att leta efter nya partiklar som förutses av teorin. LHC har dykt upp helt tomt, utan ens en doft av en ny supersymmetrisk partikel, som torkar alla de enklaste supersymmetri-idéerna helt från kartan.
Och även om detta negativa resultat inte utesluter strängteori, gör det inte heller det för bra.
Kommer vi en dag att ha bevis för till och med en av underlag eller sidoförutsägelser av strängteori? Det är omöjligt att säga. En hel del förhoppningar fanns på supersymmetri, som hittills inte lyckats leverera, och det återstår frågor om det är värt det att bygga ännu större kollider för att försöka pressa hårdare på supersymmetri, eller om vi bara skulle ge upp och prova något annat.
- Hur universum kan ha fler dimensioner
- Mystiska partiklar som spyr från Antarktis trotsar fysiken
- The Big Bang: Vad hände egentligen vid vårt universums födelse?
Läs mer genom att lyssna på avsnittet "Är strängteori värt det? (Del 6: Vi bör förmodligen testa detta)" på Ask A Spaceman-podcast, tillgänglig på iTunes och på webben klhttp://www.askaspaceman.com. Tack till John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. för de frågor som ledde till detta stycke! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter.
